煤层气注气开采多组分流体扩散模型数值模拟

为了解决低渗透煤层气开发遇到挑战,依据双重介质扩散渗流和多组分吸附平衡理论,建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流模型,利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理．研究表明,注入二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压,加速了煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,从而提高了煤层气产量,结果表明注气开采煤层气是提高我国低渗透煤层气产量的有效途径。     

注气开采煤层气多组分流体扩散渗流问题研究

依据双重介质扩散渗流和多组分吸附平衡理论,建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流模型,还利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理.研究表明,注入二氧化碳气体不但减少煤层甲烷的分压,加速煤层甲烷的解吸,而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附,更易竞争吸附置换煤层甲烷分子,从而提高了煤层气产量.     

不可采煤层CO2封存的数值模拟

将CO2注入不可采煤层进行封存(CO2-ECBM)能在封存CO2的同时回收甲烷,因而是一项具有良好前景的CO2处置技术。CO2或者CO2/N2混合气注入煤层后在煤层中运移涉及到多组分气体在煤中的吸附、多组分气体以及气、水两相在煤层中的扩散渗流等过程。基于上述过程,建立了考虑煤基质吸附气体后的膨胀效应、能够描述多组分气体在煤层中吸附/解吸扩散渗流过程的数学模型,并采用数值解法对模型进行了求解,与已有的模拟结果比较表明建立的模型是可靠的;利用该模型研究了煤层渗透率、不同气体差异性吸附膨胀系数、煤对CO2/CH4的吸附比、以及注入气体组成对于CO2封存以及煤层气生产的影响,研究结果可以为CO2-ECBM项目的场地条件选择以及工艺参数的优化提供依据。     

流固耦合作用下注气开采煤层气增产规律研究

提高低渗透煤层气产量是我国煤层气开采中急需解决的关键问题,加速煤层甲烷解吸过程的注气增产方法是提高低渗透煤层气产量的有效途径。由于排采降压在孔隙流体压力变化的范围内会引起储层孔隙介质的应力和应变的变化,造成有效渗透率和孔隙度的降低,同时也影响注气和产气的动态参数。研究这些规律,首先建立了注气开采煤层气多组分流体扩散渗流的流固耦合模型,利用数值方法研究了注气开采煤层气的增产机理。研究表明,注入二氧化碳气体不但减少了煤层甲烷的分压．加速了煤层甲烷的解吸;而且二氧化碳气体比甲烷气体更易吸附,竞争吸附置换煤层甲烷分子,从而提高了煤层气产量,同时必须重视耦合作用对注气增产造成的不利影响。     

间歇注气抽采煤层气井注气量与采收率分析研究

水力压裂煤层、注气提高煤层气采收率等生产工艺过程中,煤层中流体的运动是多相多组分流体的扩散渗流。假定煤层为孔隙裂隙二重介质,孔隙中只存在吸附状态气相,裂隙是气、水共存空间,孔隙与裂隙之间气体的交换量是渗流场中的质量源。试验研究了质量源与时间和煤层结构的关系,测定了吸附置换速率的衰减系数。应用多孔介质中扩散渗流理论,再运用质量连续方程,导出了多相多组分流体的扩散渗流微分方程。忽略占煤层中气体总量百分比很小的游离状态气体在微分方程中随时间变化,从而求出了单井间歇注气抽采煤层气井在注气过程注气量的近似表达式。分析解表明注入气体流量与注入气体压力和煤层气初始压力之差、竞争吸附置换速率成正比;煤层渗透率越大、煤层气和注入气体的混合粘性越小,吸附竞争置换速率越小和注气抽采煤层气效果越差;注气抽采煤层气工艺适合低透气性煤层。     

煤层气解吸扩散渗流模型研究进展

对煤储层基质孔隙分类、煤储层中气水变化特征、基质孔隙中甲烷的动力学行为、煤层气解吸模型、扩散模型、渗流模型和产气模型进行了综述和评论．认为煤层气生产过程吸附气变为解吸气．少量的解吸气溶解并在储层孔隙水中扩散．大量的解吸气聚集成泡和成柱并在煤基质孔隙中的非达西渗流、自由气从煤基质孔隙至割理．裂隙系统的窜流、自由气从煤基质孔隙至井筒的非达西渗流（仅限低煤阶）、及自由气从割理．裂隙系统至井筒的达西渗流过程．可为煤层气开发提供理论依据,为煤层气数值模拟提供理论基础,对煤层气产气规律的认识具有指导意义．     

煤层气窜流–扩散过程及其对开发效果的影响

基于煤层气的赋存和运移规律,综合考虑煤层气从煤基质中解吸,并以扩散和窜流方式进入煤层割理,通过渗透和扩散方式从割理流入生产井筒的过程,将煤层气在微孔中的非平衡吸附模型与气水两相渗流模型耦合,建立了双重介质煤层气藏拟稳态渗流数学模型。采用该模型研究了窜流和扩散机理对开发效果的影响。结果表明:窜流和扩散对开发后期产气量的影响较明显,窜流因子或扩散系数越大,后期产气量越多。     

考虑吸附-解吸效应的气固耦合模型

在研究煤层气单井抽采模型时,首先根据有效应力和渗透率建立相关联系的方法,确立了煤层气固耦合理论方程,然后根据理论分析、数值模拟与常规理论实践规律相结合的方法,考虑了地应力对煤层气解吸、煤层渗透率和孔隙度的相互影响,建立了煤层气运移的数值模型,并观测抽采产量的变化.另外通过理论公式及数值模拟讨论吸附-解吸效应和Langmuir常量对气体压力、渗透率和抽采产量的影响,从而提高抽采产量和生产效率.研究结果表明:(1)煤层气开采过程中,有效应力和吸附-解吸效应都影响着孔隙通道直径的变化,两者存在竞争关系,导致煤层基质产生膨胀或收缩,进而影响渗透率的变化;(2)吸附-解吸效应能够显著提高抽采效率和产量.     

煤层气运移产出气水固三相耦合模型

根据达西渗流理论,结合Langmuir等温吸附定律和Fick第一定律描述了煤层气由煤基质解吸经扩散进入煤层裂隙系统,由裂隙运移至生产井筒产出的气水二相渗流过程,又将其和由渗流作用引起的煤体变形场耦合起来,形成了煤层气运移产出的气水固三相耦合模型,并采用全隐式联立求解方法同时隐式求出了气、水产量和饱和度值,实现了模型求解的无条件稳定。在沁水盆地3^#煤层气井开采潜能的评价预测中,应用该方法分别预测了将该井的动液面置于3^#煤底和15^#煤底的气、水产量,效果良好。     

煤层气注开采中煤对不同气体的吸附作用

煤对不同气体的吸附作用是注气开发煤层气的关键。利用煤吸附甲烷的现有研究成果,借助于固体表面吸附理论,分析了适用于注气工艺中的煤吸附气体的基本理论,为进一步分析、设计、评价注气工艺奠定了可靠的理论基础。     

煤层气单井开采数值模拟的研究

对煤层气的流动机理进行了分析。结果表明 ,煤层中的甲烷气主要以吸附的方式储集在煤基质中 ,煤层割理系统提供渗流通道。煤层气在煤基质中的吸附遵循朗格缪尔等温方程 ;煤层气由煤基质向割理系统的扩散遵循Fick第一定律 ;煤层气在割理系统的流动遵循达西定律。借鉴美国现有模型 ,结合我国现场实际情况 ,建立了二维煤层气垂直井的非平衡拟稳态井底渗流数学模型。现场实例模拟计算表明 ,该模型能够用于煤层气单井数值模拟。     

Influence of liquid water on coalbed methane adsorption:An experimental research on coal reservoirs in the south of Qinshui Basin

Using Isothermal Adsorption/Desorption System Model IS-100 and Electrohydraulic Servo Rock System Model MTS815 as the main apparatuses and collecting samples from the major coal reservoirs in the south of Qinshui Basin, a hot point region of coalbed methane exploration, the paper carries out systematical comparisons of the isothermal adsorption experimental data for injection water coal samples, equilibrium moisture samples and dry coal samples, probes and establishes an experimental method of injection water coal sample preparation and isothermal experiment to simulate real reservoir conditions, and then summaries the experimental regulations and discusses the mechanism of liquid water influencing coal methane adsorption. Results of the experiment indicate that: The Langmuir volume of injection water coal samples is notably larger than that of equilibrium moisture samples, as well as larger than or equivalent to that of dry coal samples; the Langmuir pressure of injection water coal samples is the highest, the next is equilibrium moisture samples, while the dry samples is the lowest, of which the experimental results of injection water samples to simulate real reservoir conditions are more close to the fact. Under the conditions of in-position reservoirs, liquid water in coals has evident influence on methane adsorption ability of coal matrix, which can increase the adsorbability of coal and make the adsorption regulation fit to Langmuir model better. Its major reason is the increase of wetting coal matrix adsorbability. The above experimental results overthrow the conventional cognition that liquid water has no influence on coalbed methane adsorption, which may lead to an improvement of the coalbed methane isothermal adsorption experimental method and of the reliability of coalbed methane resource evaluation and prediction.     

单井间歇注气开采煤层气生产过程分析

描述了注气开采煤层气生产过程,分析表明间歇注气生产模式的增产机理主要是竞争吸附置换,而边注边采生产模式主要是驱替;反映基质孔隙扩散能力的综合传质系数不仅影响煤层气井的生产能力,而且影响矿井煤与瓦斯的突出;建立了单井间隙式注气开采煤层气的扩散渗流数学微分方程组;注气过程和采气过程渗流方程式形式相同,但质量源的流向不同,生产井内的边界条件不同.     

煤层气藏强化开采各向异性力学性质分析

针对煤层多重孔隙系统空间非连续分布、力学属性各向异性的特点,综合考虑注气强化开采过程中多组份多过程物质运移特征,构建了正交各向异性等效连续煤层流固耦合模型,据此进一步剖析了煤层各向异性力学性质及其对孔渗参数与注采能力的影响。煤层各向异性的力学属性,导致开发过程中储层水平应力与应变的动态变化存在明显的方向性特征,沿力学强度或杨氏模量大的方向变化相对较大,进而带来裂缝宽度、渗透率及其变化的方向性差异,同时致使孔隙度、渗透率以及气体吸附浓度空间分布的非均质性,最终造成与横观各向同性介质不同的煤层气生产与CO2注入预测结果。研究成果对煤层气开发过程中孔渗参数及注采能力的准确预测具有重要意义。     

注入增产法提高煤层气采收率的理论探讨

美国Amoco公司开发的注入增产法是一项很有前途的提高煤层气采收率的方法,为此笔者在研究煤对二元气体吸附特征的基础上,探讨了注入增产法的基本原理。结果表明,煤对常见气体的吸附能力由强到弱为：二氧化碳、甲烷、氮气、氢气;煤对二元混合气体总的吸附及对甲烷的吸附均符合Langmiur方程,但在ＣＨ４＋Ｈ２或ＣＨ４＋Ｎ２的吸附系统中,对Ｈ２或Ｎ２吸附时吸附量与压力之间不遵从此关系式,而在ＣＨ４＋ＣＯ２吸附系统中,煤对ＣＯ２的吸附量和压力之间的关系仍可用Langmuir方程定量描述;注入增产法提高煤层瓦斯抽放率是通过注入其它气体使煤对甲烷的吸附量减小来实现的,且注入Ｎ２优于ＣＯ２。     

Thermal simulation of the formation and evolution of coalbed gas

Thermal simulation experiment of gas generation from the peat and the coals were performed using the high temperature and pressure apparatus, at temperature ranging from 336.8-600℃, a pressure of 50MPa and two heating rates of 20℃/h and 2℃/h, and the evolution and formation of coalbed gas components were studied. Results show that for the coals, the gaseous products are mainly composed of hydrocarbon gases. However, for the peat the content of hydrocarbon gases in gaseous products is lower than that of non-hydrocarbon components. In the generated hydrocarbon gases methane is predominant and heavy hydrocarbon gases (C2-5) are present in small amount. Meanwhile, carbon dioxide (CO2) predominates the generated non-hydrocarbon gases, and hydrogen (H2) and sul-furated hydrogen (H2S) are existent in trace amount. It is also observed that temperature is the main factor controlling the evolution of coalbed gas generation. With increasing vitrinite reflectance, methane rapidly increases, CO2 sightly increases, and C2-5 hydrocarbons first increase and then decrease. The peat and Shanxi formation coal have a higher generative potential of coalbed gases than coals and Taiyuan formation coal, respectively, reflecting the effect of the property of organic matter on the characteristics of coalbed gas component generation. In this study, it is found that low heating rate is favorable for the generation of methane, H2 and CO2, and the decomposition of C2-5 hydrocarbons. This shows that heating time plays an important controlling role in the generation and evolution of coalbed gases. The results obtained from the simulation experiment in the study of coalbed gases in natural system are also discussed.